Bilgi Bankası / ELEKTROMETAL KAPLAMANIN TEMEL PRENSİPLERİ / 10 - KAPLAMADA AKIM VERİMİ
Faraday’ ın ilk kanunu kesin bir doğa kanunudur. Bir çözeltiden belli miktarda elektrik geçirilirse belli
miktarda madde çözünmüş halden katı hale geçer, tersi de doğrudur.
Tüm bu işlemlerde üzerinde düşünmemiz gereken bir konu da verimdir. Bir elektrik motorunu prize taktığınızda kullandığı elektrik enerjisinin tümünü yararlı mekanik enerjiye çevirmez. Bir kısmı motor sargılarında ısı olarak kaybedilir. Bir kısmı sürtünme kuvvetini yenmek için harcanır. Bu enerji de yararsız hale gelmiştir.
Sonuçta motorun çektiği elektrik enerjisinin ancak %90 kadarı yararlı mekanik işe dönüştürülür (Ders 1’ de bu konu hakkında öğrendiklerinizi hatırlayın). Verim elde edilen kullanılabilir iş gücünü ölçer. Şu şekilde tanımlanmıştır :
Formüldeki büyüklükleri ölçmenin değişik yolları vardır. Böylelikle motor, jeneratör veya diğer enerji dönüştürücüsünün verimini tanımlayabiliriz.
Elektrokaplamada daha karmaşık bir meseleyi halletmemiz gereklidir. Kaplama çözeltisine uygulanan belli miktardaki (coulomb) elektrik Faraday’ ın ilk kanunu uyarınca sonuçta belli miktarda metal kaplanmasını sağlar. Faraday Kanunu’ nun hiçbir yerinde bu enerjinin ne miktarda olacağından bahsedilmez. Örneğin, 100 Ampersaat (360.000 coulomb) elektrik ile 100 gr. bakır kaplanır gibi bir ifade yoktur. Kullanılacak gerilimin değeri de belirtilmemiştir. Öyle ise enerji miktarını nasıl tayin edeceğiz?
Şu şekilde : Kaplama çözeltisine (elektrolite) akım sevketmek için enerji gereklidir. Elektrotlar arasındagerilim farkı olmaksızın coulomb (amper-saat) oluşmayacaktır. Elektriksel potansiyel serileri konusunda öğrendiğiniz üzere, her metalin diğerlerininkinden farklı ve steorik olarak denge haklinde olan çökelme veya ayrışma gerilimi vardır. Bu nedenle bir asitli bakır çözeltisinde bakır katot ile bakır kaplama çözeltisi arasındaki gerilim farkı 0,34 Volt’ u geçtikten sonra bakır kaplanmaya başlayacaktır. Banyoya bu gerilimi uygularsanız sınır değer aşılmadığından hiçbir şey olmaz. Çünkü bu düşük gerilimde sadece birkaç coulomb elektrolite sevkedilebilecektir. Ampermetrede okunabilir bir değere ulaşmak için daha yüksek gerilim farkı uygulamak gerekir. Daha yüksek gerilim farkı uygulandığında ampermetrede akım okunur ve kaplama başlar. Artık bu durumu tıpkı motorda olduğu gibi ENERJİ VERİMİ açısından analiz edebiliriz fakat bunu yapmaya çalıştığımızda bize gerekli olan verileri bulmanın zor, yetersiz ve bizim için fazla faydalı olmadığını göreceğiz.
Mesela, kaplama süresince kullandığımız toplam enerjiyi kWh olarak hesaplamamızı sağlayacak olan kaplama tankı boyunca gerilimi ve belli bir zaman diliminde akan akımı ölçebiliriz. Ardından kaplamanın ağırlığını ölçüp, belli çalışma şartlarındaki ayrışma potansiyelini de içeren bazı karmaşık hesaplamalar yapılarak o ağırlıktaki metalin kaplanması için teorik olarak gerekli enerji miktarını tanımlayabiliriz. (Kişisel olarak artık buna gerek kalmadığından memnunum).
Eğer bu uzun ve karışık hesaplamalara devam edersek çoğu kaplama işinde enerji veriminin gerçekten çok düşük olduğunu görürüz. Genellikle %10’ un altındadır. Bundan başka, bulunan sonuç gerçek değer değildir ve bizim için anlam ifade etmez çünkü daha önce de söylediğimiz üzere bizim için birinci derecede önemli olan kaplamayı yaparken ne kadar enerji kullandığımız değil kaplamanın kendisidir. Tabii ki kaplama yaparken enerji zayii etmeyi istemeyiz ve bazı durumlarda enerji maliyeti oldukça önemli hale gelir ama genelde bizim için kaplamada elde ettiğimiz sonuç önem arzeder.
Kaplamacı için KATODUN (veya ANODUN) COULOMB VERİMİ hem daha yararlı ve anlamlı hem hesaplaması daha kolaydır. Kısaca KATOT VERİMİ dersek,
Çıkış (Elde edilen yararlı enerji) x 100
Verim = = Giriş (Harcanan enerji)
Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sayfa 21
Anot için de ANOT VERİMİ olarak kısaltırsak,
Bu oran bizim için daha anlamlıdır çünkü kaç coulomb uyguladığımızda ne kadar kaplama yapacağımızı veya karşılığında ne kadar metal çözüneceğini verir. KATOT (ve ANOT) VERİMİ metal kaplamak için ne kadar elektrik (coulomb) kullandığımızın ölçülmesi işlemidir.
Gördüğünüz gibi Faraday Kanunları daima doğrudur fakat uygulanan coulombun tümü yararlı şekilde kaplama işinde kullanılamaz. Öyle ise uygulanan coulombun birazı başka bir reaksiyonda harcanmaktadır. Eğer banyoda metalle birlikte biraz da hidrojen kaplanması gibi bir durum sözkonusu ise, enerjinin bir kısmı faydası olmayan, hatta zaman zaman kaplamaya zararlı olan bu işte kullanılıyor demektir. Yahut katotta (veya anotta) sizin haberiniz olmadan başka bir kimyasal reaksiyon bu coulombları harcıyor olabilir.
Esasında katot veriminin bize söylediği kullanılan toplam elektriğin (coulomb) ne kadarının metali kaplamak için harcandığıdır. Gerisi boşa gitmiştir.
Normal şartlarda asitli bakır banyosunun katot verimi çok yüksektir (%98,7 – 99,9 arasında). Bu kullanılan her 1000 coulomb elektriğin 987 ila 999’ unun bakır kaplamak için kullanıldığını gösterir.
Öte yandan bir siyanürlü bakır banyosunda katot verimi %34 civarındadır. Yani her 100 coulombun sadece 34’ ü kaplama işinde kullanılır. Krom kaplamada bu değer daha yüksektir. Çoğu durumda katot verimi %10 – 12 gibi daha düşük değerdedir. Şimdi katot ve anot verimi ile ilgili bazı hesaplamalar yapacağız.
ÖRNEK 9 : Bir siyanürlü bakır banyo çözeltisinde 2 amper-saat elektrikle kaplanan metal miktarı 2,8 gr.dır. Katot verimi nedir?
Çözüm : Ders 1, sayfa 10’ daki Basitleştirilmiş Faraday Tablosu’ ndan bir siyanürlü bakır banyosundan her 100 amper-saat elektrik geçirildiğinde teorik olarak 238,14 gr. (8,4 ons) bakır kaplanır. Bu 1 amper-saat ile 2,38 gr. bakır kaplanacağı anlamına gelir. 2 amper-saatte 2 x 2,38 = 4,76 gr. bakır kaplanmalıdır. Bu durumda katot verimi ec = 2,8 x 100 / 4,76 = %58,8 dir.
ÖRNEK 10 : Örnek 9’ daki kaplama işi esnasında bakır anottan çözünen bakır miktarı 2,27 gr.dır. Anot
Çözüm : ea = 2,27 x 100 / 4,76 = %47,5
ÖRNEK 11 : Deney 9’ daki çalışma koşullarında iken, 2,15 A/dm² akım yoğunluğunda 18,6 dm² lik katot
yüzeyine 226 gr. bakır kaplamak ne kadar sürer?
Çözüm : Kaplamanız gereken ağırlığı, katot verimini ve toplam akımı (2,15 A / dm² x 18,6 dm² = 40
Amper) biliyorsunuz. Bilmediğiniz tek şey süredir.
Ağırlık = (Faraday Sabiti) x (Toplam Akım) x (Zaman) x (Verim) veya W = K x I x T x ec
(Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100
Katot Verimi = (Teorik olarak kaplanabilecek metal miktarı)
(Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100 ec = (Faraday’ ın ilk kanununa göre metal miktarı)
(Gerçekte çözünen metal miktarı) x 100
Anot Verimi = (Teorik olarak çözünebilecek metal miktarı)
(Gerçekte kaplanan metal miktarı) x 100 ec = (Faraday’ ın ilk kanununa göre çözünebilecek metal miktarı)
Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2 Sayfa 22
Zamanı çekersek T = W / (K x I x ec) = 226 gr. / [ (2,38 gr/amper-saat) x (40 Amper) x (0,59) ]
T = 4,02 saat buluruz.
Buradaki birimler Ders 1’ de ele alınmıştı. Saat dışındaki birimler birbiriyle sadeleşir ve sonuç saat olarak bulunur. Hangi birimlere göre hesaplanmış olursa olsun birbirini götüreceğinden verimin bir birimi olmayacağına dikkat edin.
PROBLEM 11 : * 23 dm² yüzey alanına sahip bir katotta 110 gr. nikel kaplanmıştır. İzin verilen en yüksek akım yoğunluğu 4,3 A/dm² ve ec %95’ tir. En yüksek akım yoğunluğunda bu kaplamayı yapmak ne kadar sürer?
Daha önce de bahsedildiği gibi katot ve anot verimi her çalışma şartında aynı değildir. Bir asitli bakır banyosunda katot verimi pratikte %100’ e ulaşabilir oysa standart bir krom banyosunda %14 gibi düşük bir değer alır. Yani verim kaplanan veya çözünen metalin cinsine bağlıdır. Verimi etkileyen diğer büyüklükler,
1. Banyonun kimyasal bileşimi
2. Kullanılan akım yoğunluğu
4. Kaplama banyosunu karıştırma
Bir kaplamacı olarak sizi ilgilendiren bu değerleri kontrol edip ayarlayarak mümkün olan en yüksek verimi elde etmektir. Daha verimli katot daha az elektrik enerjisi kayıbı ve verilen işi belirli bir akımda daha çabuk bitirme anlamına gelir.
Aslında güç kaybı daha önce de gördüğünüz üzere genellikle sizin için çok da önemli değildir fakat elektriğin fiyatı yükseldikçe daha önemli hale gelmeye başlar. Peki zamandan tasarrufu ne yapacağız? Güç kayıpları için para ödeyerek fazla enerji harcayabilirsiniz fakat zaman satın alamazsınız. Eğer banyonun katot verimi sadece %50 ise bu belli bir sürede tam verimde kaplayabileceğiniz metalin ancak yarısını kapladığınız anlamına gelir. Maksimum akım yoğunluğunda çalıştığınızı varsayarsak, %100 akım veriminde kapladığınız sürenin iki katı sürede kaplıyorsunuz demektir.
Bir başka önemli nokta anot ve katot veriminin mümkün olduğunca birbirine yakın olması gerektiğidir.
Bunun nedeni açıktır. Eğer katot verimi anot veriminden daha yüksek olursa sürekli çek yazan fakat yazdığı miktarı bankaya yatırmayan adama benzer bir durum ortaya çıkar. Bir süre sonra bankadan aranacak ve çeklerin karşılığı sorulacaktır. Kaplama çözeltisindeki metal iyonları tükenir ve çalışma koşullarını tekrar kazanabilmesi için bakıma ihtiyaç hisseder. Bu da zamandan ve işgücünden kayıp demektir.
Madalyonun öbür yüzüne bakarsak, anot veriminin katot veriminden daha yüksek olması da istenmeyen bir durumdur fakat ilki kadar kötü bir durum değildir. Bu durumda kaplama çözeltisi metal iyonları bakımından gittikçe daha zengin hale gelir. Fazla metal iyonları er geç banyonun çamurunda çökelecek veya çözeltide mevcut bulunan asit yahut alkali kökleriyle birleşerek çözeltinin normal pH değerini yükseltecek ya da düşürecektir. Bu durum da banyoyu normal çalışma değerlerine döndürmek için zaman harcamanıza neden olacaktır.
Aslında anot veriminin katot veriminden çok az bir miktar büyük olması, çözeltiye fazladan biraz metal karışmasına sebep olması ve bunun da banyoda kaplanan malzemeyi çıkarırken üzerinde giden metali dengelemesi nedeniyle istenen bir durumdur. Kaplama ve kirlenme kontrolünde malzeme çıkarılırken üzerinde giden bu az miktardaki çözeltinin büyük önemi vardır, bunu başka bir bölümde anlatacağız. Uygulamada ideal koşullar nadiren elde edilebilir, genellikle anot ve katot verimleri arasındaki %10-15’ lik fark oldukça yeterlidir.